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第二章 计算机常用总线技术
《过程控制现场总线》《测控总线及虚拟仪器》第二章 常用的计算机总线技术《过程控制现场总线》“7”号和“9”号位置都是USB 接口。它也是一种串行接口，目 前最新的标准是2.0版，理论传输 速率可达480MB/s。目前许多上 设都采用这种设备接口，如 Modem、打印机、扫描仪、数码 相机等。 “8” :IEEE 1394接口，串行 标准 。即插即用、热拨插。 使用费比较高，目前仍受到 许多限制，只是在一些高档 设备中应用普遍，如数码相 机、高档扫描仪等“10”号位置是指双绞以太网线接口，也称之 为“RJ-45接口”。这要主板集成了网卡才会 提供的，它是用于网络连接的双绞网线与主 板中集成的网卡进行连接 “6”：RS-232接口：串行接口DB“4”：PS/2接口：其鼠标的接口为绿色、键盘的 9接口为紫色，另外也可以从PS/2接口的相对位置 来判断：靠近主板PCB的是键盘接口，其上方的 是鼠标接口“5”：并行接口，如GPIB接口，2《过程控制现场总线》目 录§2.1 概述§ 2.2 STD总线 § 2.3 XT/ISA/EISA总线 § 2.4 RS-232C/RS-422/RS-485 § 2.5 USB总线 § 2.6 IEEE1394总线3《过程控制现场总线》§2.1 概述1.总线和接口标准的含义 2.总线和接口的分类 3.总线的组成 4.总线的性能参数 5.总线控制与总线传输6.总线的层次化结构(略)目录上页下页4《过程控制现场总线》一、总线和接口标准的含义? 总线 ? 总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址 总线、数据总线和控制总线。 ? 计算机总线，是具有特定含义的，如“局部总线”、“系统总 线”、“通信总线”等。 ? 提到总线，一定要指出是什么总线，才有意义。 ? 总线标准 ? 总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行 连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范。? 总线标准包括硬件和软件两方面 ? 如总线工作时钟频率、总线信号线定义、总线系统结构、 总线仲裁机构与配置机构、电气规范、机械规范和实施 总线协议的驱动与管理程序。通常说的总线，实际上指的是总线标准！5《过程控制现场总线》接口及接口标准? 微机接口? 是微处理器CPU与“外部世界”的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中继站。 ? “外部世界”是指除CPU本身以外的所有设备或电路， 包括存储器、I/O设备、控制设备、测量设备、通信设 备、多媒体设备、A/D与D/A转换器等? 接口标准? 是外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向、拓扑结构 、以及电气特性和机械特性。目录上页下页6《过程控制现场总线》总线标准与接口标准的区别总线标准公用性，同时挂接多种不 同类型的功能模块接口标准专用性，一般一个接口只接 一类或一种设备在机箱内以总线扩展槽形 式提供使用一般为并行传输 定义的信号线多且齐全一般设在机箱外，以接口插 头(座)形式提供使用有并行和串行两种传输 定义的信号线少且不齐全目 录 上 页 下 页7《过程控制现场总线》总线的分类? 分类方法多种多样计算机总线 测控系统总线 网络通讯总线 仪表总线按照总线的使用范围来分串行总线 并行总线按照总线的数据 传送方式来分8位总线 16位总线32位总线 64位总线片内总线 片间总线 内总线外总线8按照总线的用途和应用场合《过程控制现场总线》⒈ 片内总线? 片内总线也称为CPU总线，它是位于微处理器内部的总线，是ALU及各种寄存器等功能单元之间的通路 ? 片内总线的结构与功能设计由芯片生产厂家完成。9《过程控制现场总线》2.片间总线? 也称为元件级总线或者局部总线或存储总线。该总线限制在一块电路板内，它是实现板内各元器件相互连接的 信号线。 ? 片间总线通常包括地址线（AB）、数据线（DB ）和控 制线（CB）等，是各种总线中速度最快、效益最高、功 能最直接的总线。 ? 一般指CPU引脚没有经过组合、驱动隔离，而被直接引 用的信号线 ? 一般采用的是并行方式10《过程控制现场总线》3.内总线? 内总线也叫板级总线或标准总线或系统总线，它主要用于微机系统内部各插件板之间进行连接和传输信息，是微机 系统最重要的一种总线，一般在主板上做成扩展插槽形式 。如ISA总线构成了IBM PC/AT微机系统 ? 除三总线外，还有电源线、地线和由于扩展的备用线 ? 计算机用的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI等 ；工业控制的STD、VME、CompactPCI；用于测控系统 和仪器的CAMAC、VXI、PXI等11《过程控制现场总线》4.外总线外总线也叫通信总线，是微机系统之间或微机系统与通信设备之 间进行通信的一组信号线。? 主要指串行通信总线，RS-232-C、RS-485总线，微机与智能仪 器之间通信采用的GPIB、VXI总线以及最近流行和正在迅速发 展的用于微机与外部设备之间进行通信的USB通用串行总线等。 以及CAN、FT等用于工业控制的现场总线等? 主要用于连接各种外设，如：并行打印机总线。? 这些通信总线的特点更符合接口标准的特点，因此，常称为接口标准12《过程控制现场总线》13《过程控制现场总线》接口标准分类? 通用外设接口标准? 支持多种外设以及家用电器的新型接口标准 ? USB、IEEE 1394通用串行接口标准? 外存储器设备接口标准? 支持磁盘、光盘、CD-ROM和磁带的接口标准 ? IDE(Integrated Device Electronics，集成设备电路,更准确地称为是ATA )和SCSI(小型计算机标准接口 )并行接口总线(扫描仪)? 图形显示器接口标准? 支持图像显示卡的接口标准，如AGP视频接口标准? 传统的串行/并行接口标准? 支持微机系统输入/输出的串行端口和并行端口 ? RS232C、I2C(Inter IC)、IEEE1284（打印机并口）? 测试仪器接口标准? 支持智能测试仪器组成自动测试系统的接口标准。 ? IEEE488,VXI接口标准目 录 上 页 下 页14《过程控制现场总线》“7”号和“9”号位置都是USB 接口。它也是一种串行接口，目 前最新的标准是2.0版，理论传输 速率可达480MB/s。目前许多上 设都采用这种设备接口，如 Modem、打印机、扫描仪、数码 相机等。 “8” :IEEE 1394接口，串行 标准 。即插即用、热拨插。 使用费比较高，目前仍受到 许多限制，只是在一些高档 设备中应用普遍，如数码相 机、高档扫描仪等“10”号位置是指双绞以太网线接口，也称之 为“RJ-45接口”。这要主板集成了网卡才会 提供的，它是用于网络连接的双绞网线与主 板中集成的网卡进行连接 “6”：RS-232接口：串行接口DB“4”：PS/2接口：其鼠标的接口为绿色、键盘的 9 接口为紫色，另外也可以从PS/2接口的相对位置 “5”：并行接口（如GPIB接口） 来判断：靠近主板PCB的是键盘接口，其上方的 连接打印机，现已逐步减少是鼠标接口目 录 上 页 下 页15《过程控制现场总线》三、总线的组成总线按信号类型或功能一般可分为以下五种 ⒈ 数据总线(DB) 数据总线一般为双向三态，用来传输数据，数 据总线的宽度（位数）反映了总线传输数据的速率 ⒉ 地址总线 (AB)地址总线一般为单向三态，用来传输地址信息， 地址线的位数决定了微机系统的寻址范围 ⒊ 控制总线(CB) 控制总线用来传输控制或状态信号。它根据使用 条件不同，有的为单向，有的为双向传输，有的是三 态，有的是非三态。控制总线代表了总线的控制能力 16《过程控制现场总线》目录上页下页17《过程控制现场总线》所谓三态门，就是具有高电 平、低电平和高阻抗三种输 出状态的门电路。用三态门构成单向总线用三态门构成双向总线18《过程控制现场总线》⒋ 电源和地线 电源和地线是总线中不可缺少的，它决定了总线使用的电源种 类，地线分布及用法 ⒌ 备用线 备用线主要是留作功能扩充和用户的特殊要求使用系统总线一般做成标准的插槽（slot）形式PCI总线19《过程控制现场总线》⒈ 总线宽度四、总线的性能指标指一次可以同时传输数据的位数，单位为位(bit)主要是指数据总线的宽度，以位数(bit)为单位。如16位总线 、32位总线⒉ 总线频率总线频率就是总线周期的倒数，总线周期是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。它一般指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为 MHz。如33MHz、66MHz等。 ISA的总线频率为8MHz， 而PCI总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率等 衡量总线传输速率的重要因素之一，工作频率越高，传输速度越快。20《过程控制现场总线》⒊ 传输速率传输速率指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是：Q = W × F / N传输速率=总线宽度×总线频率/8总线宽度越宽，总线频率越高，则总线传输速率 越快 例：总线频率为33.3MHz，总线宽度32位，则： 传输速率=32b/8×33.3 MHz =133.2MB/s目 录 上 页 下 页21《过程控制现场总线》关于传输（速）率? 有时单位为b/s，没有错，注意和B/s的区别? 但有些总线采用了一些新技术（如在时钟脉冲的上升沿和下降沿都选通等），使最大数据传输速率比上面 的计算结果高。? 总线是用来传输数据的，所采取的各项提高性能的措施，最终都要反映在传输速率上，所以在诸多指标中 最大数据传输速率是最重要的。 ? 最大数据传输速率有时也被称为带宽（bandwidth） 。22《过程控制现场总线》4.同步方式 可分为同步方式、异步方式、半同步。在同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时 间是固定的，并严格按照系统时钟来统一定时主模 块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都 是高速的，就可达到很高的总线带宽。5.多路复用 采用多路复用技术，可以减少总线的数目。 6.信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、 控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不 成正比，但一般与复杂度成正比。7.总线控制方式 包括并发工作、自动配置、仲裁方式、 逻辑方式、计数方式等。目 录上页下页23《过程控制现场总线》总线的性能指标8.寻址能力主要是指地址总线的位数及所能直接寻址的存储器 空间的大小。 ? 一般来说，地址线位数越多，所能寻址的地址空间越大9.总线的定时协议? 信息传送时的时间协议，目的是使源与目的同步 ? 分为同步总线定时、异步总线定时、半同步总线定时10.负载能力? 负载能力是指总线上所有能挂连的器件个数。 ? 一般指总线上的扩展槽个数。24《过程控制现场总线》 几种微型计算机总线性能参数名称 ISA(PC-AT) EISA STD Zilog Z-80, IBM-PC 系列机 ? 8/16位 2MHz MCA IBM-PC 工作站Workstatio nPCI P5个人机, PowerPC, 工作站 ? 32位 20～33MHz适用机型, 486系列机386,486,586 IBM系列机最大传输 率 总线宽度 总线频率? 8/16位 8MHz? 32位 8.33MHz? 32位 10MHz同步方式 地址宽度 负载能力信号线数 64位扩展 多路复用半同步 24 898 不可 非同步 32 6143 无规定 非同步 24 无限制56 不可 是异步 32 无限制109 可同步 32/64 3120 可 是目 录 上X86是一个intel 通用计算机系列 的编号，也标识 一套通用的计算 机指令集合，由 于早期intel的 CPU编号都是如 来 编号，由于这整 个系列的CPU都 是指令兼容的， 所以都用X86来 标识所使用的指 令集合如今的奔 腾，P2,P4,赛扬 系列都是支持 X86指令系统， 所以都属于X86页家族下页25《过程控制现场总线》总线层次化结构CPUCPU总 线CPU总线/PCI 总线桥北桥存储器北桥芯片主要决定主板的规格、对硬件的支持、以及系统的性能 ，它连接着 CPU 、内存、 AGP 总线。主板支持什么 CPU ，支持 AGP 多少速的显卡，支持何种频率的内存，都是北桥芯片决定的 。北桥芯片往往有较高的工作频率，所以发热量颇高，我们在主 板上，可以在 CPU 插槽附近找到一个散热器，下面的就是北桥芯 片。PCI总线PCI总线/ISA 总线桥南桥 PCI图形 适配器 PCI硬盘 控制器PCI网卡ISA总线ISA卡南桥芯片主要决定主板的功能，主板上的各种接口. . .ISA卡（如串口、 USB ）、 PCI 总线（接驳电视卡、内猫、声 卡等）、 IDE （接硬盘、光驱）、以及主板上的其他芯 片（如集成声卡、集成 RAID 卡、集成网卡等），都归 南桥芯片控制。南桥芯片通常裸露在 PCI 插槽旁边，块 头比较大。总线结构框图26《过程控制现场总线》Intel 845E是为Pentium 4推出的DDR 芯片组，它正式支持533MHz的系统 前端总线，支持DDR266的内存规范ICH4南桥芯片支持 USB2.0规范和ATA 100的硬盘27《过程控制现场总线》28《过程控制现场总线》ATA技术是一个关于IDE（Integrated Device Electronics）的技术规范族。最初，IDE只是一项企图把 控制器与盘体集成在一起为主要意图的硬盘接口技术。...? 精英945P主板ICH ATA 插座软驱 插座 MCHS-ATA 插座 PCI 总线插槽主电源 插座 DDR2 双通道 存储器插座 LGA775 CPU插座PCI-E x16 总线插槽CPU电 源插座 PCI-E x1 总线插槽目 录 上 页 下 页29LPT:此接口一般用来连接打印机或扫描仪。其默认的中断号是IRQ7，采用25脚的DB-25接头《过程控制现场总线》CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。CMOS是主板上的一块可 读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电， 即使系统掉电，信息也不会丢失。对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都 30 被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置《过程控制现场总线》本节练习题与思考题? 1.总线与接口的区别？如何分类？ ? 2.总线的传输速率如何计算？ ? 3. 总线主要是由 、 、 、、等五部分组成。 ? 4.下列总线的逻辑状态必须是三态的是（ ） ? A：AB B：DB C：CB D：Power和GND E：备用线 ? 5.最能体现总线特色的信号线是 ? A：AB B：DB C：CB D：Power和GND E：备用线 ? 判断对错：6.地址线和数据线必须分开使用，所以不能共 用一条线（ ） ? 7.总线的信号线越多，表示其性能越强（ ）目 录 上 页 下 页31《过程控制现场总线》§2.2 STD总线引言―工控机? 一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一般也叫IPC[Industry Personal Computer]。严格说来，所谓工业控制计算机，是指 那些满足下述条件的计算机系统：? 能够提供各种数据采集和控制功能。 ? 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 ? 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。目 录 上 页 下 页32《过程控制现场总线》工业控制计算机与计算机系统相比较，具有以 下主要特点：(1) 具有丰富的过程输入/输出(I/O)功能工业控制计算机是与工业生产控制系统紧密结合， 主要面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求， 与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有机组成部分 。它必须与控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器以 及联锁保护系统联用，才能完成对各种设备和工艺装置 的控制。 因此，除了计算机的基本部分如CPU、存储器外，还 必须有丰富的过程输入／输出设备(相对于数据处理机) 和完善的外部设备，这些是工业控制机能否投入运行的 重要条件。目 录 上 页 下 页33《过程控制现场总线》(2) 实时性高? 所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和输出 都要在一定的时间内完成，亦即“及时”，超出 这个时限，就失去了控制的时机，控制也就失去 了意义。 ? 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力，要 能对生产过程工况变化实时地进行监视和控制。 当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应，予以判断，及时处理。为此，通常需配有实时操 作系统，完善的中断系统等，没有这些就无法很 好地执行工业控制任务。目 录 上 页 下 页34《过程控制现场总线》(3) 具有高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生 产装置要几个月甚至一年才大修一次，非正常停 机往往会造成还很大的损失，这就要求工业控制 机可靠性尽可能的高。 因此它要求：? 低故障率；一般来说，要求工业控制机的平均故障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至上万小时。 ? 短的故障修复时间(MTTR)； 可采用冗余技术， 更换模板容易，能够热拔插。 ? 运行效率高；一定时间内(例如一年)，运行时间 占整个时间的比率一般要求99％以上。目 录 上 页 下 页35《过程控制现场总线》(4) 环境适应性强?工业现场环境恶劣，工业控制计算机必须采取必要的 措施，适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 例如，工业现场环境下电、磁干扰严重，供电条件不良， 工业控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和 共模抑制能力。(5) 有丰富的应用软件?工业控制软件正向结构化、组态化发展。工业控制计 算机一般与PC机兼容，在PC机上运行的软件一般都可以在 工业控制计算机上运行。目录上页下页36《过程控制现场总线》 (6) 技术综合性要求高?工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决 计算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测 控对象的接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业管理相结合等一系列问题。?以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区 别目录上页下页37《过程控制现场总线》下图描述了工业PC机械结构组成。用于安装特殊连接 器或扩展电缆的面 板 防震的可调节夹钳 14槽PC总线底版双冷却风扇建立 空气正压力，经 过滤的空气在机 箱内流通300W工业开关电源 可拆卸式光驱、软 驱框架加固型金属机箱带可拆卸空气 过滤器的面板 电源on/off键 电源、硬盘及键盘的状态指示灯 RESET键、KEYBOARD-LOCK键防尘与保证运行安全的带锁门 目 录 上 页 下 页38《过程控制现场总线》一、STD总线概述? 第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机 市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线最早 是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制 定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为 STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE-P961标 准。国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro-Log、 Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓 公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装 结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小 、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单 ，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升 传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装 容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的 一页。 目 录 上 页 下 页39《过程控制现场总线》? STD是Standard的缩写。 ? STD总线是由美国的Pro-log公司提出，经Pro-Log公司与 Mostek 公司共同发展起来的一种工业微型计算机系统的总 线标准。 ? 1978年12月正式公布，1985年2月被IEEE接受为并行总线标准 IEEE P961? STD总线是一种面向工业控制的8位微机总线，通过对原STD总线进行改造，使它升格为8位/16位兼容总线，32位STD总 线标准也已推出。? 用STD总线标准设计的模块计算机系列，称为STD总线模块式工业控制计算机。目 录 上 页 下 页40《过程控制现场总线》? STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M 空间的16位总线?STD总线的特点1：?小板结构，高度的模块化? 165.1x114.3mm，“轻薄短小” ，在机械强度、抗断裂、抗震动、抗老化和抗干扰方面具有优越性目录上页下页41《过程控制现场总线》?STD总线的特点2：?严格的标准化，广泛的兼容性42《过程控制现场总线》?STD总线的特点3：?面向I/O设计，非常适合工业现场控制?STD总线的特点4：?高可靠性43《过程控制现场总线》二、STD总线的信号定义56根并行总线都有明确的定义，按功能可分 为五大类(1)逻辑电源线6根(引线1～6) (2)数据总线8根(引线7～14) (3)地址总线16根(引线15～30) (4)控制总线22根(引线31～52) (5)辅助电源线4根(引线53～56)53、54：/AUXGND(附加电源地) 55：+12V/附加+12V电源 56：-12V/附加-12V电源目 录 上 页 下 页44《过程控制现场总线》45《过程控制现场总线》1、电源12V的电压如何变成5v？46《过程控制现场总线》2.数据线和地址线? 数据总线定义引脚是D0～D7，亦可作为扩展地址使用，此时是A16～A23。?地址总线定义引脚是A0～A7（只做地址）， A8～A15 亦可作为数据总线使用，此时是D8～D15。47《过程控制现场总线》3.控制总线目录上页下页48《过程控制现场总线》控制总线目录上页下页49《过程控制现场总线》目录上页下页50《过程控制现场总线》目录上页下页51《过程控制现场总线》answerback 应答信号52《过程控制现场总线》53《过程控制现场总线》 (4)时钟和复位信号54《过程控制现场总线》PCI与我们后面讲的PCI总线不是一回事55《过程控制现场总线》总线请求+5V总线请求PCI PCO总线请求PCI PCOPCI PCO微机系统1微机系统2微机系统3① 每个STD控制器提出请求的前提是PCI为“1”; ② 一个STD控制器的PCI为“1” , 且未提出总线请 求, 则它的PCO为“1”; ③ 如果PCI为“1” , 且提出总线请求, 则PCO为 “0”; ④ 如果PCI为“0”, 则该STD不能提出总线请求, 且 它的PCO为“0”;56《过程控制现场总线》?STD总线与存储器连接方法A13-A15? 总 线 低 位 地 址 A0 ～ A12译码器 A0-A12 MEMRQ直接连接到各存储器芯 片? 高位地址A13 ～A15 用来D0-D7 存储器选片（可选64K基本存 储器，通过扩展，可增 至128K）WR RD MEMEXSTD总线与存储器的连接目 录 上 页 下 页57《过程控制现场总线》?STD总线与I/O的连接方法A5-A7? 地址码的低位字节选板信号译码器 译码器 译码器A2-A4 连接到总线译码器, 选板信号 形成6根选板信号 和2根选口信号, 选 选口信号 A0-A1 通I/O端口工作WR RD? （可选128个口，IO板卡D0-D7扩展后可增至256 个口）IOEXPSTD总线与IO板的连接目 录 上 页 下 页58《过程控制现场总线》STD总线系统图59《过程控制现场总线》STD总线产品其实就是一种板卡（包括CPU卡）和无源母板结构? STD90486 (集成电路板) ? 北京市中关村的周宝星于1998年申请的一项专利 ? 8或5X86133CPU板（4MB～64MB ）DRAM,实时时钟,硬件看 门狗，两串一并，两硬两 软，打印机接口，复位按 扭，与PC/AT全兼容。金手指目 录 上 页 下 页60《过程控制现场总线》思考题：1.不定向选择：STD总线信号中，关于地址总线和数据总线的说法正确的是（ ） A：地址总线的高8位与数据总线的高8位复用 B：地址范围扩充时，数据总线可以被复用，传送高位地址A23～A16 C：传送16位数据，通过复用地址总线传送数据的高8位。 D：通过总线复用，地址的寻址范围可以是8位、16位、24位 E：当数据总线复用于扩展寻址时，应使用REFRESH*信号进行分解 F：地址线有24条，数据线有16条 2. STD规范规定的地址线有 条，如果要求总线的寻址范围达到16MB，则 需要所用地址线数目为 。这种技术又被称为 技术。 3.工控机的主要特点？61《过程控制现场总线》§2.3 XT/ISA/EISA总线IBM与计算机 ?统称PC系列总线 ?PC机所使用的各种总线结构实际上都是从最早的设计构思发展而来的。 XTbus ISA bus MCA bus EISA bus VESA bus PCI bus一、PC总线的发展过程目PC内部总线录 上 页 下 页62《过程控制现场总线》1.PC XT总线? IBM公司1981年推出的第一台 IBM PC机以及随后推出的 IBM PC/XT机所使用的总线 是 PC历史上最早使用的总线结构，被称为 PC总线或 PC/XT总线。 ? 有62条信号线，用双列插槽连接，分A面 （元件面） 和B面（焊接面）。 ? 由于IBM PC或 IBM XT机上使用的都是 8088微处理器，所以这种总线只有20位的 地址线和8位的数据线。连接到PC/XT总线 扩展槽中的信号包括了8位的双向数据总线 、20位的地址总线、6级中断请求申请信号 、三组DMA通道控制线、内存与I/O读写 控制线、动态RAM刷新控制线、时钟和定 时信号线等。另外还包括了电源线，±5V ，±12V。目 录 上 页 下 页63《过程控制现场总线》2.ISA总线? ISA(Industy Standard Architecture)即工业标准体系结构总线，又称AT总线。是IBM AT机推出时使用的总线，逐步演变为一个事 实上的工业标准，得到广泛的使用。 ? ISA总线在原XT总线62引线的基础上再延长 出独立的一段，新增加36线(A、B两面各18 线)，数据线扩至16位，地址线扩至24位。系 统板上ISA插槽见下图。ISA总线适配8/16位 数据总线传输要求，与XT总线兼容。ISA总 线插槽长138.5mm，相邻引脚距离2.54mm， 基本部分与扩展部分相距10.16mm。D18 D1 B31 B1C18C1A31A164《过程控制现场总线》3.MCA总线? （Micro Channel Architecture,MCA）称为微通道结构 ? IBM在推出第一台386型微机时，创造了一个全新的与ISA标准完全不同的系统总线MCA，该标准数据宽度为32位 ，数据传输率为ISA的4倍。但是由于IBM公司为了垄断市 场而不将MCA标准公布于众，所以MCA结构没有得到广 泛的流行。(目前已淘汰) ? 应用在PS/2微机目录上页下页65《过程控制现场总线》4.EISA总线? 1989年，以Compag(康柏，现已被hp收购 )为代表，联合AST（虹志，曾经红极一时，曾被三星收购，现已垮掉）、HP、NEC(日本电气或 日电)、EPSON（爱普生）等公司，针对486提出了适合32位微处 理器的系统总线标准EISA（Extended Industy Standard Architecture ） ? 它规定了一种新的插座，比ISA差不多长了一倍 ? 但是，工业PC并未大规模使用EISA，要么ISA，要么是新出现的 PCI总线，如同中国人的传呼机一样，过渡性质的靠面 外 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9..........A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9..........E25 E26 E27 E28 E29 E30 E31 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9.......... F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9.......... B25 B26 B27 B28 B29 B30 B31 靠面 里 C1 C2 C3 C4 C5 C6......C17 C18 G1 G2 G3 G4 G5 G6......G17 G18 G19 H1 H2 H3 H4 H5 H6. ...H17 H18 H19 D1 D2 D3 D4 D5 D6. ...D17 D18目录上页下页66《过程控制现场总线》5.VESA总线? VESA是视频电子标准协会（Video ElectronicsStandards Association）的英文缩写，VESA总线是该 协会制定的总线标准，因此又称VL-Bus（VESA Local Bus）。? 局部总线既要保持原有的向下兼容性，又要与原有的扩展总线结构并存，这即所谓的中介式总线结构。 VL-Bus总线采用的就是这种形式的局部总线。 ? VL-Bus为一种32位的局部总线，是专门为80486系统 设计的。不能用于Pentium目录上页下页67《过程控制现场总线》6.PCI局部总线? PCI(Peripheral Component Interconnect，设备部件互?? ? ? ?连)总线是一种高性能局部总线，它是92年由Intel公司 带头制定的设备总线标准 支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和 并发工作方式 具有即插即用功能(PnP) 最高传送数据132Mbps 兼容性强、成本低 详细的第三章讲述目录上页下页68《过程控制现场总线》69《过程控制现场总线》总线性能比较100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0512MB/s总线宽度(Bit) 工作频率(MHZ) 传输速率(MB/s)ISAEISA目 录PCI上 页 下 页70《过程控制现场总线》二、ISA总线信号ISA总线设计成前62引脚和后36引脚的两个插 槽，两个插槽各分成两面：A（元件面）和 B（焊接面）对应原PC总线，C（元件面)和 D（焊接面）对应扩展的后36引脚，共98根 线分成6类1.地址线 2.数据线3.读写控制线4.中断请求线 5.DMA传送控制信号线6.其它信号线目 录 上 页 下 页71《过程控制现场总线》 1.地址线地址信号用于寻址存储器和I/O设备。 存储器空间有大有小，I/O地址都是64K?SA19-SA0 (System Address) ?内存寻址使用SA19:SA0配合LA23:LA17 能寻址多达16M的 内存 ?I/O寻址中只使用低16位,可以用来定位64K的I/O地址 ?SA19是最高位SA0为最低位地址 ?在BALE为高时有效而由BALE的下降沿锁定,通过读或写命 令使信号保持有效? LA23-LA17 （Unlatched Address） 此信号在BALE信号为高电平时才有效，并且在 CPU周期过程中是不 锁定的，因此并不保持整个周期有效，它们的用途是 为一个等待状态存储周期生成存储器译码信号。 ? 和SA19:SA0可以共同寻址多达16M的内存？72《过程控制现场总线》2.数据线SD0~ SD15，双向。(System Data)SD0是最低有效位，SD15是最高有效位。CPU既可以按字节传输，也可按字传输8位设备的数据传送通过SD7:SD0来完成,SD15:SD0则用 于传送16位设备的数据;当16位设备向8位设备传送数据 时需将16位信号转换成两个8位周期通过SD7:SD0来进 行传送因为各种总线标准的厂家不同，# 等同于上横线 （标准写法），表示低电平有效。SBHE ――System Byte High Enable高字节允许信号，低电平有效，表示数据总线上 传输的是高字节数据（SD8 ? SD15）73《过程控制现场总线》3.读写控制线（1）BALE 地址锁存允许信号(Buffered Address Latch Enable )，可用BALE信号的下降沿将系统 总线上的地址信号SA0 ? SA19锁存表明外部存储 器选通，该信号在CPU总线周期的T1时间周期内 有效，通常作为CPU总线周期的指示IOR和IOW ――I/O读和I/O写信号，输出、低电平有效和 MEMR SMEMR和 MEMW SMEMW 和存储器读写控制 (注意区分两者的不同之处）原XT总线上的-MEMR和-MEMW定义为-SMEMR和-SMEMW， “SMEMR”、 “SMEMW”指标准存储器读写。只有当存储器的地址 译码信号低于1MB的存储空间时，这两个信号才会有效。 -SMEMR和-SMEMW 信号取自于-MEMR和-MEMW (ISA新增信号)和 低于 lMB的地址译码信号。74《过程控制现场总线》-MEMCS16 ：16位存储器数据选择信号。如果 当前数据传送是有一个等待状态的16位存储周期,则 它必须发一个-MEMCS16 信号给主板。译码信号必 须取自 LA17~LA23 。-MEMCS16 用能够吸收20mA 的集电极开路门或三态的驱动器来驱动。 -IOCS16 ：16位I/O数据选择信号，集电极开路 门或三态驱动。如果当前数据传送是有一个等待状 态的16位 I/O周期，则必须发一个-IOCS16信号给主 板。这个信号由地址译码器驱动。 与SBHE#合称高8位数据线控制信号：0 WS#，输入，零等待状态信号，该信号通知主板，扩 展电路卡无需插入等待状态，当前的数据可以利用两 个时钟周期完成75《过程控制现场总线》4.中断请求线用于I/O设备向微处理器发送请求中断（低变 高），在微处理器响应中断之前，一直高，（1）IRQ9-12 、 IRQ14、15和IRQ37― 中 断 请 求 信 号 （ Interrupt Request）优先顺序：来自IRQ9:IRQ12与IRQ14 :IRQ15的请求优先被处理 （IRQ9优先级最高），而来自IRQ3:IRQ 7的请求较后处 理（IRQ7优先级最低）（2）IRQ13只使用在主板上，而不 可用于 I/O接口卡上。IRQ8用于实时 时钟，故这两个中断未出现在 ISA总 线的信号线中。 上 页 下 页目 录76《过程控制现场总线》? PC/AT是基于286CPU推出 的，它增加了总线所 支持 的外部中断的数量。中断 的数量增加到16个，是通 过使用两个8259中断控制 器级联来实现的，即将第 二个控制器（从控制器） 产生的中断信号连接到第 一个控制器（主控制器） 未被使用的IRQ2中。这种 设置实际上只有15个IRQ可 被设定，IRQ2实际上不能 获得。16位ISA/EISA总线中断通过将第二个IRQ控制器产生的中断选定路径到第一个的IRQ2上，那么这些新中断被分 配了一个介于IRQ1与IRQ3之间的嵌套优先级，因此IRQ15的优先级比IRQ3高。 为防止板卡设置使用IRQ2的问题，AT系统设计者用IRQ9来填补IRQ2的位置，这意 味着任何新系统中指定为使用IRQ2的插卡实际上在使用IRQ9。也有一些插卡标记这个 选项为IRQ2/9，一般的只称之为IRQ2或IRQ9。77《过程控制现场总线》 5.DMA传送控制线DMA是什么？?DMA (Direct Memory Access)，意思是直接内存访问，是一种不经过CPU 而直接从内存存取数据的数据交换模式。DMA模式下，CPU只须向DMA控制 器下达指令，让DMA控制器来处理数的传送，数据传送完毕再把信息反馈 给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率。 ?DMA 传送方式的优先级高于程序中断，两者的区别主要表现在对CPU的干 扰程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要CPU执行中断服务程序为 中断请求服务，这个请求包括了对断点和现场的处理以及CPU与外设的传 送，所以CPU付出了很多的代价；DMA请求仅仅使CPU暂停一下，不需要对 断点和现场的处理，并且是由DMA控制外设与主存之间的数据传送，无需 CPU的干预，DMA只是借用了一点CPU的时间而已。还有一个区别就是，CPU 对这两个请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时 钟周期末尾响应，而对DMA的请求，由于考虑它得高效性，CPU在每条指令 执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，是立即响应。目 录 上 页 下 页78《过程控制现场总线》5.DMA传送控制线? （1） AEN 地址允许信号，输出。此信号用来在DMA期间禁止I/O端口与微处理器和其他设备的地 址译码。AEN信号有效，表示DMA控制器正在控制 系统总线，进行DMA传输。此时CPU放弃了总线控 制权，用AEN信号来禁止I/O端口的地址译码? （2）DRQ0-DRQ3,DRQ5-DRQ7――DMA请求信号（DMA Request），优先权从高到低是 DRQ0,DRQ1,…，DRQ7? （3）#DACK0~ DACK3,DAK5~DAK7, （ DMAAcknowledge ），DMA响应信号，用来响应DMA 请求。低电平有效 ? (4)T/C，计数结束信号，输出。在任何一个DMA通 道的终点计数计满时发出此脉冲目 录 上 页 下 页79《过程控制现场总线》 5.DMA传送控制线? #MASTER ? Master 和DRQ线一起获得ISA板上ISA 总线的控制权 ? 当接收到一个DACK后设备将MASTER 信号拉低使得其获得系统地址数据和控 制线的控制权在此状态下设备将在驱动 地址和数据线之前等待一个时钟周期在 读/写命令之前等待两个时钟周期目录上页下页80《过程控制现场总线》6 其它信号线⑴ IO CH CK#，I/O通道检验信号，输入 ⑵ RESET DRV，系统复位驱动信号，输出 ⑶ REFRESH#， Memory Refresh I/O线， 刷新信号， 该信号为低时表明正在进行内 存刷新操作 (5) 电源线和地线 即Vcc等+5V,-5V,+12V,-12V,GND（4个）目录上页下页81《过程控制现场总线》? （6）OSC ? Oscillator (振荡器)是一个时间段为70毫 微秒的时钟(14.31818 MHz)，最高频率? （7）CLK ? System Clock ，它的频率一般在7MHz 到10MHz之间 ? 该频率值在ISA标准中并未严格定义 ? 一般来说，CLK是OSC输出的3分频产 生的目录上页下页82《过程控制现场总线》? （8）# I/O CH RDY ? I/O Channel Ready 允许较慢速ISA板通过 插入等待状态延长I/O或内存读写周期 ? I/O CH RDY通常处于高就绪 ? ISA板将I/O CH RDY拉低未准备好以插入 等待状态 ? 使用I/O CH RDY插入等待状态的设备需可 以完成读写周期时地址译码和读/写信号有 效后立即使I/O CH RDY信号为低当设备释 放I/O CH RDY回高目录上页下页83《过程控制现场总线》ISA总线的寻址空间? 两组地址线 ? 存储器空间16M和64K的I/O地址空间? 存储器空间的前1MB单元也分为三部分，与XT兼容? ISA总线只用了1K的端口地址，其余的不能被访问84《过程控制现场总线》ISA总线I/O端口读总线周期（时序）210ns处理器采集数据总线上数据,I/O读操作结束85《过程控制现场总线》ISA总线I/O端口写总线周期（时序）86《过程控制现场总线》ISA总线简化的读存储器周期时序(略)总线时钟CLK 地址总线A0-A23 读控制线MEMR 地址输出数据总线D0-D15数据一个完整的总线周期目录上页下页87《过程控制现场总线》ISA总线的时序图说明：88《过程控制现场总线》 注意事项：89《过程控制现场总线》ISA总线的机械规范16位 槽 插 A1 外 B1 A1 单 ： 位 mm 138.5 B31 10.16 8位 槽 插 A31 C1 A31 D1 D18 扩 部 展 分 C18 内2.54134.49目录上页下页90《过程控制现场总线》? 补充： PC-104总线PC-104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线， 近年来在国际上广泛流行，第一块PC104产生于1987年，但 严格意义的规范说明在1992年才公布，从那以后，对PC-104 感兴趣的人越来越多，当时就有125个厂家引进PC-104规范生 产PC104兼容产品。我们知道， IEEE-P996是PC和PC/AT工 业总线规范，而从PC-104被定义为IEEE-P996.1 就可以看出 ，PC-104实质上是一种紧凑型，小型化的IEEE-P996。其型 号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同， 是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。? PC-104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。在PC-104总线的两个版本中，8位PC-104共有64 个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64针，P2：40 针，合计104个总线信号，PC-104因此得名。(90mm×96mm)的ISA总线板卡。91? PC-104模块本质上就是尺寸缩小为3.8in × 3.6in《过程控制现场总线》PC 104 模块1、 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式 层叠连接，即PC-104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相 互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。 2、 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块 正常工作，每个模块1-2瓦能耗。92《过程控制现场总线》PC 104总线工业控制计算机的应用标准结构的IPC机有许多局限性，主要问题是体积和功 耗太大，在许多嵌入式应用中(例如航空航天产品，智能仪 器仪表，医疗设备，通信设备，机电一体化产品等)无法胜 任，因而在在80年代末产生了采用基于模块化设计方法的 嵌入式工业PC系统。 ? PC-104总线模块系统已成为嵌入式PC机的标准。大量 应用于工业设备，仪器，医疗设备，通信设备等嵌入式应 用场合，而这些应用场合，既需要PC机的软硬件环境，又 需要模块化、标准化、小型化和低功耗的设计，这就需要 建立嵌入式PC机的标准，以便缩短产品的开发周期，降低 开发成本，减少设备投资，从而降低产品或系统的价格。 ? 虽然PC-104总线工控机的功耗低，但其驱动能力差 (4mA)，其扩展能力和维护性也受到限制，使其在工业过 程控制和自动化领域的应用范围受到一定的局限。?93《过程控制现场总线》本节练习题与思考题? 1.ISA总线的寻址范围为什么是16M? ? 2.ISA总线的中断响应中，如果IRQ12、IRQ9、IRQ3、IRQ7四条中短?? ? ? ? ? ??线同时请求，则CPU处理的先后顺序？ 3.XT总线和ISA总线的寻址空间是一样的吗？差别在哪里？ 4.PC/XT/ISA/EISA的差别在（ ） A：电源线和地线的差别 B：地址总线的进一步扩展 C：数据总线的进一步增多 D：数据传输率更高 E：控制方式更加灵活多样，支持多种数据传输 F：分别向下兼容，所以可以用EISA可以完全替代前面几种总线 5.判断：ISA总线中CLOCK的信号是固定的6MHz,即167ns （ ） 6.在DMA传输过程中，BALE应该是 电平，AEN是 电平， DRQ0-DRQ3和DRQ5-DRQ7的优先级顺序是 ，与请 求对应的响应信号管脚是 。目 录 上 页 下 页94《过程控制现场总线》§2.4 RS-232C/RS-422/RS-485接口1、基本通信方式通信：CPU与外部的信息交换D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7计 算 机D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7状态 控制外 设 或 计 算 机计 算 RXD 机TXDRXD 外设 TXD 或 计 算 机并行通信：数据各bit同时传送串行通信：数据按bit，依次传送95《过程控制现场总线》? 串行与并行：串行： 用一根信号线将数据逐位顺序传送 并行：就是多条（8条）同时协作传输数据 ? 串行通信的优势： 通信线路少，在远距离通信时可以极大地降低成 本；适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高 的近距离数据传送 ? 实例： PC系列机上有两个串行异步通信接口，键盘/鼠标 器/显示器与主机间亦采用串行数据传送。目录上页下页96《过程控制现场总线》串行接口? 串行通信时使用的接口所直接面对的并不是某个具体的通信设备，而是一种串行通信的接口标准 ? 目前已有较多的串行接口，如最新的USB以及最经典 的RS-232C系列，接口有所不同目录上页下页97《过程控制现场总线》一、串行通信基本知识1.数据传送方向单工形式：数据只能单方 向从一端向另一端传送； 如：有线电视节目、《潜 伏》中呼叫间谍发送端单工数据线 地线接收端半双工形式：数据可以双 向传送，但任一时刻只能 向一个方向传送。既可分 时双向传送数据 。如：某 些对讲机，传真机发送端数据线 地线接收端接收端发送端半双工目 录 上 页 下 98 页《过程控制现场总线》全双工形式：同时双向传送数据，因此，全双工配置 是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整 和独立的发送和接收能力。通信效率最高，适合于计算机之间的通信。还有手机发送端 接收端数据线 数据线接收端 发送端地线全双工目录上页下页99《过程控制现场总线》 ?2.传输速率在串行通讯中，用波特率来描述数据的传输速率。波特 率，即每秒钟传送的二进制位数，简写为bps国际上规定了一个标准波特率系列：110、300、600、、2400、 、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps。 在串行通信中，无论收、发，都必须有时钟脉冲信号对传送的数据进 行定位和同步控制。 接收时钟/发送时钟是波特率的倍数――波特率因子。例：波特率=9600bps，波特率因子=16，则接收时钟和 发送时钟频率=600Hz波特率因子=16 ，表明16个时钟脉冲传送(接收)1位。目 录 上 页 下 页100《过程控制现场总线》 ?3.信号的调制和解调数字信号的频带宽，而普通通信线路频带较窄，如电话线频 带范围仅300~3400Hz 所以采用普通通信线路进行远程数据通信时，需要在发送端 用调制器(Modulator)把数字信号转换为模拟信号，模拟信号经 通信线路传送到接收方，接收方再以解调器(Demodulator)，把 模拟信号变为数字信号。 大多数情况下，调制器和解调器合在一个装置中，称为调制 解调器――Modem 在数据通讯中，Modem起着传输信号的作用，是一种数据通讯 设备，简称DCE，接收设备和发送设备称为数据终端设备，简 称DTE。微机串行通信接口电路，如为DTE。目录上页101 下 页《过程控制现场总线》 串行通信模型102《过程控制现场总线》 解调方法103《过程控制现场总线》 ?4.串行通信的类型数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续 的比特流(BitTorrent )。 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字 节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。异步通信的通信开销较 大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。同步就是双方时钟匹配，你发我收，匹配传输。异步就是时 钟不匹配，我不知道你什么时候发，发来了我现处理。一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，传输 一个字符时，以起始位开始，然后传输字符本身的各位，接着传 输校验位，最后以停止位结束该字符的传输。 一次传输的起始位、字符各位、校验位、停止位构成一组 完整的信息，称为帧（Frame） 帧与帧之间可有任意个空闲位目 录 上 页 下 页104《过程控制现场总线》1） 同步通信――通信双方使用同一时钟? 以数据块（帧）为传输单位 ? 双方使用同一时钟（主控方提供时钟，被控方接收时钟）? 外同步：时钟信号另外安排一根传输线 ? 自同步：发送时将时钟信号与数据混合编码，接收时译码出时钟 ? 数据格式：每个数据块前加1~2个同步字符（同步头）进行 帧同步，一般采用CRC循环冗余校验码 ? 同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比 较复杂 ? 串行同步通信主要应用在网络当中，最常使用的同步通信 协议有高级数据链路控制协议（HDLC）~ ~ 同步字符 数据 数据 ~ ~目 录 上 页 下 页105数据校验同步字符《过程控制现场总线》 2）异步通信――通信双方使用各自的时钟? 串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送 ? 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程）：? 传送速率? 信息格式 ? 位同步 ? 帧同步? 数据校验? 错误处理? 串行异步通信以字符为单位进行传输 ? 数据格式：起止式异步通信协议目录上页下页106《过程控制现场总线》起止式异步通信协议起始位字符数据位附加位停止位空闲位100/1 0/1 低位…0/1 0/1 1 1 高位1空闲位――传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行 停止位――表示该字符传送结束。停止位为逻辑1电平， 附加位――该位可用于校验或数据标识：可选择奇检 数据位――数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进 传送 起始位――每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平 可选择1、1.5、2位。 验、偶校验或无校验位 制位组成，低位先传送目录上页下页107《过程控制现场总线》异步通讯的 起始位 数据位 信息格式 校验位停止位 空闲位 逻辑0 逻辑0或1 逻辑0或1 逻辑1 逻辑1 1位 5位、6位、7位、8位 1位或无 1位、1.5位或2位 任意数量例：传送8位数据45H（B），奇校验，1 个停止位，则信号线上的波形为clk 主目 录 上 页 下 页从108《过程控制现场总线》二、RS-232C总线? 该标准的全称是EIA-RS-232C标准(Electronic Industrial Associate-Recommended Standard 232C)是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等 公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～ 20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号 线功能、电气特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与RS232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机串行 通信接口中广泛采用。? 1987年1月正式改名为EIA-232D? 设计目的是用于连接调制解调器 ? 现已成为数据终端设备DTE与数据通信设备DCE的标准接口? DTE――数据终端设备，例如计算机 ? DCE――数据通信设备（数传机，数据传送机），例如调制解调器）? 可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机 ? 属于网络层次结构中的最低层：物理层目 录 上 页 下 页109《过程控制现场总线》每秒50、75、100、150、300、600、、4800 、波特。 在串行通信中，DTE和DCE之间的连接要符合接口标准 计算机通信中使用最普遍的是RS-232C标准 PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口，使 用9针和25针连接器，旁边一般有 “|O|O|” 样标识目录上页下页110《过程控制现场总线》说明? 1）RS-232C标准最初是为了远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备而制定的（1969年），并未考 虑计算机系统的应用要求。但目前又被广泛的借来用 与计算机与终端或外设之间的近端连接标准。所以与 现在的计算机系统存在不一致的地方。 ? 2）发送和接收是以DTE为对象定义的目录上页下页111《过程控制现场总线》一、RS-232C的引脚定义? 232C接口标准使用一个25针连接器 ? 绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9针连接器 ? 232C接口信号面向使用调制解调器的串行异步通信，可支持两个通信信道： ? 主信道：用于数据传送 ? 次信道：次信道为辅助串行通道，主要提供通道控制， 但其传输速率比主信道要低得多，其他跟主信道相同， 通常较少使用目录上页下页112《过程控制现场总线》PGSG113《过程控制现场总线》RS-232C的引脚? （1）数据发送和接收信号线： (2条)? 2号线 TxD （Transmitted Data）发送数据（终端→数传机） ? 串行数据的发送端 ? 3号线 RxD：( Received Data）接收数据（终端←数传机） ? 串行数据的接收端（2）地线 ：? 7号线 SG (Signal Groud )信号地 ? 为所有的信号提供一个公共的参考电平 1号线 PG：保护地（机壳地） 起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用 规定，连接到设备的外壳或大地TxC：发送器时钟 控制数据终端发送串行数据的时钟信号 RxC：接收器时钟 控制数据终端接收串行数据的时钟信号114《过程控制现场总线》RS-232C的引脚? （3）联络控制信号线： (6条)20号线 DTR* (Data Terminal Ready )数据终端准备好（终端→数 传机）? 通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备准备就绪6号线 DSR*： (Data Set Ready)数据装置准备好（终端←数传机）? 通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路上，并处在数据传输方式DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号 ，例如应答数据接收这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两 个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说 明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信 要由下面的控制信号决定。目 录 上 页 下 页115《过程控制现场总线》RS-232C的引脚? （3）联络控制信号线： (6条)4号线 RTS*：(Request to Data)请求发送（终端→数传机）? 当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据5号线 CTS*： (Clear to Send)清除发送（允许发送）（终端←数传机）? 当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联 络信号这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统 中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因 配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。目 录 上 页 下 页116《过程控制现场总线》? （3）联络控制信号线： (6条)RS-232C的引脚8号线 DCD* （Data Carrier Detection）数据载波检测 （终端 ←数传机）此线也叫做接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的 MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时 ，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来 的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。22号线 RI* (Ringing Indicator)振铃指示（终端←数传机） 当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有 效（ON状态），通知终端，已被呼叫。目录上页下页117《过程控制现场总线》DB-9 信号接口引脚 1 2 3 4 5 6 信号名 DCD RXD TXD DTR GND DSR 功 载波检测 接收数据 发送数据 数据终端准备就绪 信号地线 数据准备完成 能7 89RTS CTSRI发送请求 发送清除振铃指示插头插座目录上页下页118《过程控制现场总线》RS-232C的连接? 微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通过电话线路的远距离通信 ? 微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这种 连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器 （Null Modem）连接目录上页下页119《过程控制现场总线》采用专用线通讯时的信号连接注：电话线为专线,不使用DTR和RI目 录 上 页 下 页120《过程控制现场总线》采用Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接目录上页下页121《过程控制现场总线》握手规则：①DTR(ON) ①DSR(ON) ②RTS(ON) ①DSR(ON) ①DTR(ON)⑤CTS(ON)DTE⑥TxD→DCEDCE③RI(ON) ④DCD(ON) ⑦RxD→DTE⑴DTR、DSR均为ON时，才有可能进行传输； ⑵RTS为ON，接收到CTS为ON时才可发送；用于有大延迟通信时的握手，全双工时置为ON即可⑶RI为ON时(线路通道建立)，再为OFF后DCD为ON。用于电话交换机线路时的通信，其他情况置为ON即可⑷DCD为ON时(数据通道建立)，准备接收数据；用于有MODEM时的通信，无MODEM时置为ON即可(5)数据传送开始在此期间DTR一直保持高电平，直至数据传输结束122《过程控制现场总线》二、RS-232C的电气特性（1）数据线上的信号电平mark(逻辑1) = -3～-15Vspace(逻辑0) = +3～+15V (2) 控制和状态线上的信号电平 ON= +3～+15V(接通，信号有效) OFF= -3～-15V(断开，信号无效)以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻 辑“1”的电平低于-3V，逻辑“0”的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态 （ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V ，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3 ～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此 ，实际工作时，应保证电平在±(5～15)V之间。目 录 上 页 下 页125《过程控制现场总线》RS-232C电平与TTL电平的转换?232C接口采用EIA电平? ? ?高电平为＋3V～＋15V 低电平为－3V～－15V 实际常用±5V或±15V逻辑“0” 逻辑“1”?标准TTL电平??相互转换高电平：＋2V～＋5V 低电平：0V～0.8VEIA:电压极性、负逻辑 不兼容 TTL:电压幅值、正逻辑目 录 上 页 下 页126《过程控制现场总线》?电平转换 RS-232C接口采用双极性信号、公共地线和负逻 辑；不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平 转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意！在实际应用时，必须通过专用电平转换芯片进行电平转换。 电平转换芯片MC1488、MC1489、 MAX232 MC1488可实现TTL→RS-232的电平转换； MC1489可实现RS-232→TTL的电平转换。MAX232芯片可完成TTL到EIA双向电平的转换目 录 上 页 下 页127《过程控制现场总线》 MAX232的用法只要在外部接入相应的电解电容即可；1.管脚1～6(C1+、V+、C1-、C2+、C2-、V-)用于电源电压转换，MAX232 器件对电源噪声敏感,因此,电源VCC 应加上1μF 的去耦电容, C1 ,C2 ,C3 ,C4 取1. 0μF/ 16V 的钽电解电容,安装时尽量靠近器件,以提高干扰 能力。2. 可以将两路RS-232C电平转换成两路TTL电平。分别从 R1IN和R2IN输入，对应从R1OUT和R2OUT输出。注意，输入和 输出的逻辑值保持一致，如输入-5V，即逻辑1，输出也是逻辑1， TTL电平为高电平，即3.6V左右 3. 可以将两路TTL电平转换成两路RS-232C电平，分别从 T1IN和T2IN输入，对应从T1OUT和T2OUT输出。同样输入和输 出的逻辑值保持一致128《过程控制现场总线》89S52 89S52通过MAX232实现RS-232C电平转换目录上页下页129《过程控制现场总线》?PC机与AT89S52单片机串行通信电路 图中外接电解电容C1、C2、C3、C4用于电源电压变换， 提高抗干扰能力，它们可以取相同数值电容1.0 μF/16 V。电容 C5用于对＋5 V电源的噪声干扰进行滤波，其值一般为1 μFC1 AT89C51 C2 TXD RXD GND+ +C1+V++C1C2+VCCC3 +5V C5+IBM-PCGND MAX232C4 RXD TXD GNDC2VT1in T1out R1out R1in目录上页下130 页《过程控制现场总线》131《过程控制现场总线》IRQ4RS232C接口电路LS1 25 2k 2k 8 6 5 22 ＋5 V ＋5 V RS2 32 C 插座 7OUT2 OUT1 INTR RSLD DSR CTS RI SIN DTR7 51 54&2k ＋5 V1 7 51 5020RTS ＋5 V SOUT LS1 25 8 25 0&2k1Ω ＋5 V 5 14 9 11 2 SW 7 51 54 3 ＋5 V 18 25&1 7 51 50 1 00 Ω1 1 1 LS0 4 ＋5 VLS0 4 1 5 .6 k132《过程控制现场总线》与微机相连的原理图+5VD7~D0RD 8086 WR 系 A1 统 RESET A0 总 A2 线 A9 M/IO CLKD7~D0 RD WR C/D 8 RESET 2 LS 138 RxD7 5 2 3 1,72 MAX 3 232 4 TxD 3 6 92CS5 RxC 1 A TxC CLKCS 8253 OUT0可编程的串行通信接口芯片8MHz译码器4分频CLK0 2MHz定时器133《过程控制现场总线》三、RS-232C的机械特性? RS-232C有两种连接器DB-25和DB-9 ? 1）DB-25：早期的机型（286以前）因为支持20mA电流环接口，4线 ? 2）DB-9：现在台式计算机常用的接口 ? 两种如果连接需要专用的电缆134《过程控制现场总线》电缆长度? 在通信速率低于20Kb/s时，RS-232C最大的物理距离为15m（50ft）（不使用MODEM的条件下）误码率&4%时15米， 实际误码率允许 10%～20%，15米是 保守135《过程控制现场总线》RS-232C的不足? RS-232接口标准出现较早，其定义：数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的串行接口标准。并不是 为了实现计算机系统之间的互联，难免会有不足之处： ? 1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片； ? 2）传输速率较低，在异步传输时，波特率最大20kbps； ? 3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的 传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰； ? 4）传输距离有限，实际最大传输距离15m左右，最远不 能超过60m。 ? 针对其不足之处，EIA又制定了RS-422总线标准和RS-485 标准136《过程控制现场总线》 四、RS-422接口?又称作“双端接口电气标准”或“平衡电压数字接口电路的电气特性” ?RS-422总线规定使用双端发送器和接收器 ，每个信号使用二根导线，DTE和DCE之间无公共地线，进行单向平衡式传送，可以有效地克服干扰的影响。RS422标准传输线连接目录上页下页137《过程控制现场总线》? RS-422接口驱动和接收可采用集成电路来实现? RS-422A在几十米的传送距离上，其速率可达10M波特，若传输波特率在20K波特以下，其传送距离可达1500m。目 录 上 页 下 页138《过程控制现场总线》平衡发送器 差动接收器 A RS-422A电平 A’MC3487B B’MC3486RS-422A标准传输线连接优点：?差动发送/接收,共模抑制比高,抗干扰能力强?传输速率高,15m时可达10Mb/s ?传输距离远,90kb/s时可达1200m139《过程控制现场总线》RS-422的电气标准? RS-232C既是一种电气标准，又是一种物理接口功能标准，而RS-422仅仅是一种电气标准。? RS-422与RS-232C的主要区别是，收发双方的信号地不再共地，RS-422A标准规定平衡驱动和差分接收的方法。? 输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。当一个表示逻辑“1”时，另一条一定为逻辑“0”。? 若传输过程中，信号中混入了干扰和噪声（以共模形式出现），由于差分接收器的作用，就能识别有用信号并正确接收传输的信 息，并使干扰和噪声相互抵消。? RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成。在电路中规定只许有一个发送器，可以有多个接收器。140《过程控制现场总线》? 智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原 因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一 个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟 信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS-232C接口， 这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能 实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。即 实现多点通信RS-485与RS-422A兼容；允许多个发送器；可多 点对多点 允许平衡电缆上连接32个发送器/接 收器对141《过程控制现场总线》五、 RS-485接口标准特点： ⑴平衡发送、平衡接收，抗干扰能力强； ⑵多个发送器、多个接收器，发送/接收器小于32对，所 有发送/接收器必须有地址； ⑶逻辑电平：与RS-422相同； ⑷需要终端匹配电阻2×120Ω (可能有变化)； ⑸信号不需要调制与解调。T D T D T D T D T DRt=120ΩRt=120Ω?Rt是匹配电阻，接在总线的两个端口，以减少由于不匹配而引起的反射。目 录 上 页 下142页《过程控制现场总线》传输线的选择和阻抗匹配?? 在差分平衡系统中,一般选择双绞线作为信号传输线。双绞线价格低廉,使用方便,两条线基本对称,外界干扰 噪声主要以共模方式出现,对接收器的差动输入影响不 大。信号在传输线上传送时,如果遇到阻抗不连续的情 况,会出现反射现象。 ? 双绞线的特性阻抗一般在110~130Ω之间,通常在传输线 末端接一个120Ω的电阻进行阻抗匹配。143《过程控制现场总线》 注意：以上RS-232C和RS-422A总线的总线标 准是采用电压信号， DTE和DCE之间没有光电隔离，容易受外界干扰的影响 。20mA电流环接口电路增加了光电隔离电路，提高了系统抗干扰的能力。目录上页下页144《过程控制现场总线》RS-232特点? 特点： 单端通讯 ，低速率串行通讯RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、 150、300、600、、、19200波特 ? 不足： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又与 TTL 电平不兼容，故需使用电平转换电路能与TTL电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传 输形式， 这种传输容易产生共模干扰，故抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上 可以用在50米左右。它一般用于20米以内的通信；RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道， 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可 实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。1英尺 =0.3048米目 录 上 页 下 页145《过程控制现场总线》RS-422特点? （1）差分传输，使干扰和噪声互相抵消 ? (2)它使用一对双绞线，提高抗干扰性，将其中一线定义为A，另一线定义为B ? （3）点对点传输，但支持点对多的双向通信：一个主设备（ Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信。 ? (4) 最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速 率以 下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能 获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传 输速率仅为1Mb/s。 ? (5) RS-422需要一终接电阻（一般在300米以下不需终接电阻） ，终接电阻接在传输电缆的最远端。目录上页下页146《过程控制现场总线》RS-232C、RS-422与RS-485总结? 外形不是区别点，都可能有各种形式的接插件如9、15和25针 ? RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己 的高层通信协议。 ? 总结： RS232的传输是点对点的,并且传输距离只有15米(有条件限制). ，RS422的传输支持一点对多点，RS485的传输支持多点对多点, 传输距离达到1200米.(采用半双工传输) RS422跟485的区别在于它传输方式是全双工传输 ? 注意：一般的电脑只配有RS232串口，若要想用它和工控装置 的RS-485串口相接，就需使用外置RS-232/RS-485转换头，对 RS-232口转换后即可相连了。目录上页下页147《过程控制现场总线》USB与RS-232C的转换器目录上页下页148《过程控制现场总线》RS232与RS485转换目录上页下页149《过程控制现场总线》串行口转光纤的转换器目录上页下页150《过程控制现场总线》目录上页下页151《过程控制现场总线》本节练习题与思考题? 1.信号地和保护地的区别？ ? 2.RS-232C的信号线在远距离和近距离通信是的连接方式有何不同？请画出 ? 3.波特率=9600bps，波特率因子=32，则RxC 和 TxC(接收时 钟和发送时钟)频率应为（ ） ? A:153.6KHz B:9.6KHz C:307.2KHz D:300Hz E:600Hz ? 4.RS-232C的逻辑电平的特点（ ） ? A:与TTL电平相同 B:负逻辑 ? C:数据线上的和控制线上的规定不一样 ? D:数据线上的逻辑“1” 是电压在“-3V～-15V” ? E:计算机连接必须采用电平转换器,如MAX232152《过程控制现场总线》? 5.RS-422总线的引脚没有统一规范的标准（ ） ? 6.RS-422的电平特性是什么？ ? 7. 在同一时刻，通信双方可以同时发送数据的信道通信方式（） A：半双工通信 B：单工通信 C：数据报 D：全双工通信 8.比较RS-232C、RS-422和RS485的特点？153《过程控制现场总线》§2.5 USB 总线USB（Universal Serial Bus）通用串行总线USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的 连接和通讯。USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠 标、调制解调器和键盘等。USB是在1994年底由英特尔、 康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，自1996 年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，到现在已经发展为3.0 版本。154《过程控制现场总线》电脑分区为什么没有A盘和B盘？? A盘和B盘是电脑的两个软驱。在上个世纪早期的电脑里，那个时候硬盘还没有出现，电脑的操作系统都是放在软盘里――只有几十KB的原 始操作系统。A:\和B:\两个软驱，一个是用来存放操作系统，一个是用 来存放文件。由于硬盘的诞生比软盘要晚，所以就用盘符顺延到后面 的C盘、D盘、E盘……等，光驱和U盘的诞生更晚，所以它们通常排的 比硬盘还要靠后。谁革了软盘的命？155《过程控制现场总线》156《过程控制现场总线》2.5.1 USB的性能特点传输速度快 连接简单快捷通用连接器，可连接不同种类外设无须外接电源，总线提供 扩充外设能力强，一个接口可以连接大量外设目录上页下页157《过程控制现场总线》1.传输速度快USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps， 低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键 盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数 码相机等；USB全速12Mbps， USB全速的数据传 输速度比RS-232C串口的20kbps快1000多倍，它 用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输 速度可以高达480Mbps，传说USB 3.0可以达到十 倍于2.0的速度(2008年推出，)目录上页下页158《过程控制现场总线》 2.连接简单快捷，实现“热插拔”和“即插 即用”1.USB连接简单快捷，可以进行热插拔，即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源；这就让用户在使 用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再 开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB 电缆插上使用。2.即插即用(Plug & Play)，并能自动侦测与配置系统的资源。再者，无须系统资源的需求。也即是，USB装置不 需要另外设定IRQ中断、I/O位址，以及DMA等的系统 资源。目 录 上 页 下 页159《过程控制现场总线》3.通用连接器，一个连接器类型可以 连接多种外设? USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型大多为4针插头? 大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机、扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设 统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了 USB硬盘、USB鼠标、USB打印机、数码相机、MP3等 等。目 录 上 页 下 页160《过程控制现场总线》4.无须外接电源，携带方便? 由 USB 总 线 提 供 电 源 到 外 部 设 备 ， USB 能 提 供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、 USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设 备 , 如 扫 描 仪 等 仍 需 自 带 电 源 ； USB 还 采 用 APM （Advanced Power Management）技术，可以有 效地节省电源功耗? 现在大部分手机已采用USB口充电，欧盟规定（2011年2月28日，统一手机充电器接口，iPHONE除外）目录上页下页161《过程控制现场总线》5.扩充外设能力强? USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设（理论上），用户 不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便? 现在无线USB也已经产生目录上页下页162《过程控制现场总线》USB规范（补充）? USB 1.0USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mb/s；1998年升级为USB 1.1 ，速度也大大提升到12Mb/s，在部分旧设备上还能看到这种标准的接口 。USB1.1是较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低 速方式的传输速率为1.5Mbps，大部分MP3为此类接口类型。? USB2.0USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了 480Mbps，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中的“增强 主机控制器接口”（EHCI）定义了一个与USB 1.1相兼容的架构。 它可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB 1.1设备。也就是说，所有支 持USB 1.1的设备都可以直接在USB 2.0的接口上使用而不必担心兼 容性问题，而且像USB 线、插头等附件也都可以直接使用。 备注：使用USB为打印机应用带来的变化则是速度的大幅度提升， USB接口提供了12Mbps的连接速度，相比并口速度提高达到10倍以 上，在这个速度之下打印文件传输时间大大缩减。USB 2.0标准进 一步将接口速度提高到480Mbps，是普通USB速度的20倍，更大幅 度降低了打印文件的传输时间。目 录 上 页 下 页163《过程控制现场总线》USB规范（补充）? USB 3.0? 由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group宣布，该组织负 责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。 新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效 率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。? USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”，顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。 计划支持新规范的商用控制器将在2009年下半年面世， 消费级产品则有望在2010年上市。 （xp系统不支持）目 录 上 页 下 页164《过程控制现场总线》USB徽标? 2003年发布的USB OTG补充特别定义了便携式和电池供电设备的连 接，USB OTG是USB2.0的补充。应用于在彻底脱离PC的情况下 实现各种数码设备间的数据传 送。凭借这一技术，我们可以 把数码相机直接连接到打印机 上打印照片，还可以进行数码 相机和U盘或移动硬盘的直接 连接，实现照片的移动或拷贝 操作，而这一切则完全不需要 PC的参与。? 2005年，又颁布了无线USB规范。WUSB是USB规范的最新扩展。它 定义了一个易用的无线接口，具有 有线USB技术的高速率和安全性。通过资质认证许可的USB标志。165《过程控制现场总线》2.5.2 USB的物理接口和电气特性? 接口分两类： ? 标准口和Mini口一、USB接口的机械规范图中从左往右依次是：MiniUSB A型插头、MiniUSB B型插头、USB B型 插头、USB A型插座、USB A型插头166《过程控制现场总线》目录上页下页167《过程控制现场总线》 二、电气特性高速USB设备低速USB设备收发器：对地电源电压为4.75~5.25V，设备吸入的最大电流值为 500mA ，D+、 D-上不加电压 点击查看 USB设备：高速在D+上加3.0~3.6V电压，和1.5k的上拉电阻, 低速反之USB设备的电源供给有两种方式：自给方式和总线供给方式。 USB Hub是前一种方式。 目 录 上 页 下168页《过程控制现场总线》USB连接设备和主机的连接方法?USB集线器通过监视差分数据线来检测设备是否已连接到 集线器的端口上.?当没有设备连接到USB端口时，D+和D-通过下拉电阻Rpd电平是近地的。 ?USB设备必须至少在D+和D-线的任意一条上有一个上拉电阻Rpu ?由于Rpu=1.5KΩ,Rpd=15KΩ,所以数据线上会有90%的Vcc电压?集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc来判别是哪一类USB设备连接到其端口上 C如D+电平接近Vcc，D-近地，则所连设备为全速设备 C如D-电平接近Vcc，D+近地，则所连设备为低速设备 C当D+和D-的电压都降到0.8V以下，并持续2.5微妙以上的话，就认为该 设备断开连接了。169《过程控制现场总线》 三、USB设备 (1)⒈ USB设备 USB设备分成Hub设备和功能设备两种Hub设备即集线器，是USB即插即用技术中的核心部分，完成USB 设备的添加、插拔检测和电源管理等功能。 一个集线器由中继器和控制器构成。中继器负责连接的建立和 断开，控制器负责管理主机与集线器间的通信及帧定时 功能设备能在总线上发送和接收数据和 控制信息，如鼠标。170《过程控制现场总线》 三、USB设备 (2)2、端点 在USB接口中，只给每个USB外设分配一个逻辑地址。而 USB外设本身包含一定数量的独立的寄存器端口，并能由USB设 备驱动程序直接操作。这些寄存器也就是USB设备的端点（ Endpoint）。每个设备上的端点有不同的端点号，通过端点号 和设备地址，主机软件就可以和每个端点通信。注意：一个设备可以有多个端点，但所有的USB设备都 必须有一个零端点用以设置，它支持控制传输 3、管道 USB设备支持功能性和控制性的数据传送，这些传送发生 在主机软件和USB设备的端点之间，我们把USB设备的端点和主 机软件的联合称为管道（Pipe）。注意：管道是从逻辑概念上来描述的信息传输的通道，管道 分为流管道和消息管道目 录 上 页 下 页171《过程控制现场总线》USB通信流USB为主机上的软件和客户的USB功 能模块之间的通信提供服务，功能 模块会对通信流有不同的要求，需 要不同的客户来实现相互作用。通 过允许不同的USB功能模块的不同通 信流分离开来，从而提供更好的整 体总线利用率，每一个通信流都要 使用某一个总线访问来完成客户和 功能模块之间的通信，并且终止于 设备的某一个端点。设备端点用于区别任意的通信流? 一个USB逻辑设备对整个系统而言就是一个端点的集合。系统软件使用默认管道（0端点）来管理 USB设备，而客户软件使用的是管道束。客户软件要求数据在主机的缓冲区和USB设备上的端点之 间，通过USB总线来移动 ? 设备端点中的0端点：必须的，设备一经接入和上电时就进行配置，即初始化和一般的操作，来访 问一般的USB状态和控制操作。? 设备端点中的非0端点：低速功能设备有两个端点可供选择；全速设备最多可有16个输入端点和16 个输出端点。? 流管道：数据在管道中以顺序方式（FIFO）进行传输，非双向，支持批量、同步和中断传输类型 ? 消息管道：双向方式与端点沟通，主机先向USB设备发出请求，请求后面是数据传输的方向，端 点会在后来的某一个时刻返回一个状态作为响应。支持控制传输类型172《过程控制现场总线》 三、USB描述器4、 USB描述器USB设备是通过描述器来报告它的属性和特点的。描述器是一个有一 定格式的数据结构。每个USB设备都必需有设备描述器、设置描述器、接 口描述器和端点描述器。这些描述器提供的信息包括目标USB设备的地址 、要进行的传输类型、数据包的大小和带宽请求等。1）设备描述器：唯一，包含了设备设置所用的默认管道的信息 和设备的一般信息 2）设置描述器：一个或多个，还包含了设置的一般信息和设置 时所需的接口数。3）接口描述器：一个或多个，描述接口的一般信息，但不包括 零端点计数4）端点描述器：一个或多个，分别定义各自的通信点173《过程控制现场总线》2.5.3USB系统组成及拓扑结构一、USB系统的组成USB的软硬件?USB主控制器/根集线器 ? USB集线器(USB Hub) ? USB设备 以及电缆?USB设备驱动程序 ? USB驱动程序 ? USB主控制器驱动程序目 录 上 页 下 页174做在主板上或作为适配卡安装在 《过程控制现场总线》二、 USB系统拓扑结构主机 根Hub 设备 设备计算机上，主机包含有主控制器 和根集线器，控制着USB总线上 的数据和控制信息的流动，每个 USB系统只能有一个根集线器， 它连接在主控制器上。根结HubHub设备设备Hub 设备 设备图9－14 USB总线及集线器拓扑结构?集线器提供端口,将设备连接到 1层 USB总线上，同时检测连接在总线 上的设备，并为这些设备提供电 源管理，负责总线的故障检测和 设备 Hub USB设备和主机的数据流传输由主控制器负责。 2层 恢复。 每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通 ?集线器可为总线提供电源，亦可 信的接口，每个接口由0个或多个管道组成，它 为自身提供电源,自身提供电源的 Hub 们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间 3层 设备可插入总线提供电源的集线 传输数据。USB驱动程序（USBD）为主机软件 器中，但总线提供电源的设备不 建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控 设备 能插入从外部得到电源的集线器 4层 制器根据主机软件提供的参数进行服务。 或支持超过四个的端口中。175《过程控制现场总线》USB集线器? 可以将集线器视为一个分配器和转发器的结合。集线器提供USB设备和主机之间的电接口，并直接负责支持USB用户友好方面的许多属性。它提供比主 机能够提供的更多的连接点，并将来自上游端口的业务流重播到下游的端口 上。集线器检测下游端口的连接和断开，并上报主机。集线器必须能够支持 下游端口所连接的USB外设的各种不同速率，并检测和恢复连接中的总线故 障。此外，集线器还管理为下游端口提供的电源，并将与此相关的任何问题 报告给主机。 ? 总线供电方式从上游端口吸取功率。它只能从供电的上游端口吸取100mA的 电流，而最终的配置后的电流可达到500mA。满配置功率在集线器、任一个 不可拆卸的功能块或外部端口之间进行分配。它必须为每个下游端口提供 100mA。这就限定了总线供电集线器上的下游端口的数量不超过4个。因为每 个端口需要100mA，因此四个下游端口需要400mA。一个总线供电的集线器 可以有4个外置下游端口，一个或多于一个的非外置下游端口自供电的集线 器从本地电源(即墙体电源)提取功率。 ? 一个自供电的集线器将从其上游端口吸取100mA的电流，在集线器的其余部 分的电源关断时，允许接口为功能块供电。一个自供电的集线器需要为每个 下游端口提供500mA。规范没有限制一个自供电的集线器所能连接的下游端 口数量，但出于供电的考虑通常限制到7个或更少一点。一个7端口的集线器 176 必须能够为功能块提供大于3.5A(500mA/每端口)的电流。《过程控制现场总线》说明2? 内部的物理连接是一个层叠的星型拓扑结构，集线器位于每个星的中心。每个线段是一个位于主机和集线器或 功能块之间的点对点连接，或者是从一个集线器连接到 另一个集线器或功能块。 ? 所允许的最大层数为7层(包括根层)。在主机和任何设备 之间，地址结构允许一个集线器连接的设备最多达127 台。集线器和外设可以任意组合。一台复合或混合设备 占用两台或更多的设备。177《过程控制现场总线》2.5.4 USB的传输类型一、 USB的数据流类型USB支持 控制信号流 实时数据流 块数据流中断数据流等4种数据类型目 录 上 页 下 页178《过程控制现场总线》1. 控制信号流: 控制信号流的作用是当USB设备一旦 加入系统时，USB系统软件与设备之间建立起控制信 号流来发送控制信号，这种数据不允许出错或丢失 2. 实时数据流:实时数据流用于传输连续的固定 速率的数据，它所需要的带宽与所传输数据的采样率 有关。因为实时数据流要求有固定的速率和低延时， 在USB系统中，专门对此操作进行了设计，尽量保证 有较大的缓冲区，并确保有低的误码率目录上页下页179《过程控制现场总线》3. 块数据流:通常用于发送大量数据 4. 中断数据流:用于传输少量随机输入 信号。它包括事件通知信号、输入字符或 坐标等信息目录上页下页180《过程控制现场总线》 二、USB的传输类型与USB数据流类型对应，USB有4种基本的传输 类型:批传输中断传输等时传输控制传输目 录 上 页 下 页181《过程控制现场总线》 ⒈ 批(块)传输 批传输可以是单向，也可以是双向。它用 于传输大批数据，这种数据传输的时间性不 强，但要确保数据的正确性。在包的传输过 程中，出现错误，则需重新传输。其典型的 应用是扫描仪、打印机、数码相机目录上页下页182《过程控制现场总线》 ⒉ 中断传输中断传输是单向的，且仅输入到主机，它用于不固 定的、少量的数据传输。当设备需要主机为其服务时， 向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、鼠标之类 的输入设备采用这方式。USB的中断传输是Polling （查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。 USB设备在全速情况下，其端点Polling周期为 1～255ms；对于低速情况，Polling周期为10～255ms。 因此，最快的Polling频率是1KHz。在信息的传输过 程中，如果出现错误，则需将在下一个Polling中重 新传输,适用于键盘、鼠标、游戏杆等目 录 上 页 下 页183《过程控制现场总线》⒊ 等时传输又称同步传输，可以单向也可以双向， 用于传输连续性、实时的数据。这种方式 的特点是要求传输速率固定，时间性强， 忽略传输错误，即传输中出错也不重传。 因为这样会影响传输速率。传输的最大数 据 包 是 1024B/ms 。 视 频 设 备 （ usb 的 摄 像 头 ）、数字声音设备和数字相机采用这种 方式目 录 上 页 下 页184《过程控制现场总线》 ⒋ 控制传输控制传输是双向的，它的传输有2～3个阶段： Setup阶段，Data阶段（可以没有）和Status 阶段。在Setup阶段，主机命令给设备；在 Data阶段，传输的是Setup阶段所设定的数据； Status阶段，设备返回握手信号给主机目录上页下页185《过程控制现场总线》? RZ 编码（Return-to-zero Code），即归零编码。? 在 RZ 编码中，正电平代表逻辑 1，负电平代表逻辑 0，并且，每传输完一位 数据，信号返回到零电平，也就是说，信号线上会出现 3 种电平：正电平、负电平、零电平：? 从图上就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接受者只要在信号 归零后采样即可，这样就不在需要单独的时钟信号。实际上， RZ 编码就是相 当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（selfclocking）信号。? 这样虽然省了时钟数据线，但是还是有缺点的，因为在 RZ 编码中，大部分的 数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。186《过程控制现场总线》? 去掉这个归零步骤，NRZ 编码（Non-return-to-zeroCode）就出现了，和 RZ 的区别就是 NRZ 是不需要 归零的：NRZI 编码（Non-Return-to-Zero Inverted Code）和 NRZ 的区别就 是 NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑，信号保持不变代表另外一 个逻辑。187《过程控制现场总线》USB的数据编码? 摆幅为3.3V的差动信号（D+和D-），采用NREI编码传送各种数据 ? 定义：逻辑“0” ? 逻辑“1”电压跳变（0变为3.3V或3.3V变为0） 电压不变? 无时钟无选通信号，在同步方法上采用一种叫同步模式的数据（B），将该数据放在各种信息包的前面进 行同步。188《过程控制现场总线》举例:如何表示数据BCLK TTL USB逻辑“0”电压跳变（0变为 3.3V或3.3V变为0 逻辑“1” 电压不变USB189《过程控制现场总线》位填充00 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0? 但如果一直重复相同的信号,数据就会因长时间没有转换而逐渐累积,从而使读取发生严重错误.因此在NRZI编码之间长还需执行位填充(Bit-stuffing).如 果原始的串行数据中包含六个连续的“1”就在其后填充一个“0”.如果在 NRZI解码过程中,发现了六个连续的“1”,则移走之前填入的零,重新补回“1”, 在发送端执行数据传输之前,需先执行位填充和NRZI编码工作,在接收端执 行数据接收之前也必须首先执行NRZI解码,然后进行位反填充（unBitstuffing) 190《过程控制现场总线》2.5.5 USB包的类型与格式一、USB包的类型 USB总线的数据传输包含一个或多个交换 （ Transaction 或 事 务 ） ， 而 交 换 是 由 包 （Packet）组成的，因此包是组成USB交换的 基本单位目录上页下页191《过程控制现场总线》PID类型 Token PID名称 OUT IN SOF SETUP DATA0 DATA1 DATA2 MDATA PID名称 ACK NAK STALL NYET PRE ERR SPLIT PING Reserved PID[3:0] b b b b PID[3:0] b b b b 0000b 描述具有PID、类型检查、设备地址、端点号和CRC域的宿主到功 能设备的发送包功能设备到宿主的接收包，具有和发送包一样的域帧开始包主机发给设备的设置包，用于控制传输的设置。Data数据包0 数据包1 在微帧中高速、高带宽的等时交换的数据包 为分离的高速和高带宽等时交换中的数据包PID类型 Handshak e描述接收设备发的接受数据正确的应答包 接收设备无法接受数据或没有数据返回个宿主设备已经被挂起，需要主机插手解决故障接收器无应答(Token)预告包，预告下面将以低速方式和低速设备通信Special(Handshake)分离交换错误的握手信号 高速分离交换标志 为批或控制端点传输而设置的高速流控制探测 保留目 录 上 页 下 页192《过程控制现场总线》其中包的分类编码由PID表示。8位PID中只有低 4位用于包的分类编码，高4位作校验用，其含义如 图PID域的格式所示目录上页下页193《过程控制现场总线》 二、USB包的格式1.标志包（Token）USB总线是一种基于标志的总线协议，所有的交换都以标志 包为首部（再加上一个SYNC），它定义了包类型域（PID）、 地址域（ADDR）、端点域（ENDP）和检查域（CRC）,格式 如下： Sync：同步域，所有包都必须有，8位 PID:包类型域，token有4种，OUT、IN、Setup和SOF ADDR:设备地址域，包的传输目的地，7位（128个地址） ENDP；端点域，确定传到设备哪个端点，4位（一个设备可以 有16个） CRC：(循环冗余校验)检查域，用于地址域和端点域的校}